第 1 章 緒論

1.1 引言
LED（Light Emitting Diode）照明技術(shù)是一種高效的新型現(xiàn)代發(fā)光照明技術(shù)。因其具有綠色環(huán)保、光響應(yīng)速度快、光效高、光色純、重量輕、體積小、抗機(jī)械振動以及沖擊等一系列優(yōu)勢，并且已經(jīng)在交通、照明、汽車、顯示等多個領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用[1]。和普通白熾燈比，白光 LED 照明可以節(jié)約 80%以上的電能，與熒光燈相比，可節(jié)約 50%左右的電能，并且使用壽命為 8～10 萬個小時，是白熾燈的 30 倍以上，是熒光燈的 10 倍以上[2~3]。隨著市場需求的不斷變化以及 LED 芯片制備技術(shù)和 LED 封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步，LED 封裝向著小型化、高可靠性以及高光效、多芯片集成化的方向發(fā)展的趨勢越來越明顯[4~5]。
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1.2 LED 概述

1.2.1 LED 發(fā)光原理
LED 是一種半導(dǎo)體二極管，由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如 GaAs(砷化鎵)、GaP(磷化鎵)、GaN（氮化鎵）、GaAsP(磷砷化鎵)、AlGaInN（氮化鋁鎵銦）等半導(dǎo)體材料制成[7]，其主要結(jié)構(gòu)為 PN 結(jié)。因此，LED 具有所有 PN 結(jié)所共有的 I-V 伏安特性，即正向?qū)ā⒎聪蚪刂购蛽舸┨匦訹8]。當(dāng)在 LED 芯片兩端的外加正向偏壓達(dá)到其開啟電壓時,此時流過 LED 芯片中的 PN 結(jié)的電流就會迅速增大，這時便體現(xiàn)為 LED 的正向?qū)ㄐ浴．?dāng) LED 電壓反向偏置時，通過 LED 芯片 PN結(jié)的反向電流極小可以忽略不計(jì)，此時的 LED 處于不發(fā)光狀態(tài)，這便體現(xiàn)為LED 的反向截止性。而當(dāng) LED 芯片兩端的反向電壓逐漸增大超過閾值時，LED 芯片就會被擊穿，此時 LED 芯片表現(xiàn)為流經(jīng)內(nèi)部 PN 結(jié)的電流隨電壓的升高而呈指數(shù)性增加，這是便體現(xiàn)為 LED 的反向擊穿性。除了上述半導(dǎo)體的所共有三個伏安特性外，LED 還具有電致發(fā)光特性，即當(dāng)向 LED 施加正向電壓，其內(nèi)的 PN 結(jié)區(qū)的勢壘便會隨之降低，這便使得在PN 結(jié)區(qū)內(nèi)有大量少數(shù)非平衡載流子注入，從而提高了 PN 結(jié)區(qū)內(nèi)的電子-空穴對復(fù)合幾率，進(jìn)而使得電子-空穴對的帶間躍遷復(fù)合來輻射發(fā)光[9~10]。如圖 1.1所示為 LED 發(fā)光原理圖。在不施加正向偏壓的情況下，由于 PN 結(jié)內(nèi)建電場的作用下，LED 器件中的 P 型層存在的遷移率較低的空穴以及 N 型層存在的遷移率較高的電子發(fā)生復(fù)合的幾率極低。當(dāng) PN 結(jié)通入正向偏壓時，這時的少數(shù)非平衡載流子大量注入 PN 結(jié)內(nèi)，PN 結(jié)區(qū)內(nèi)的勢壘降低使得多數(shù)載流子與注入的少數(shù)非平衡載流子不斷發(fā)生復(fù)合，最終以光子的形式將多余的能量釋放出來，進(jìn)而達(dá)到電能轉(zhuǎn)換成為光能的目的。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生就需要在外加正向偏壓作用下，激發(fā)大量少數(shù)非平衡載流子的注入，電子-空穴對大量復(fù)合，最終實(shí)現(xiàn)由電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿哪芰哭D(zhuǎn)換過程。反之，當(dāng)在 LED 芯片兩端施加反向偏壓，這時的少數(shù)載流子便難以注入 PN 結(jié)中發(fā)生復(fù)合，因而不產(chǎn)生光子。當(dāng)LED 芯片通入正向偏壓時，電流從芯片的陽極部分流向陰極部分，半導(dǎo)體晶體會產(chǎn)生不同種顏色的光線，從紫外線到紅外線，產(chǎn)生的光從暗到亮都與流經(jīng)LED 中 PN 結(jié)區(qū)的電流大小有關(guān)。空穴與電子之間的帶隙寬度越大，所產(chǎn)生光子所具有的能量便也隨之越大。由于材料自身不同，其所具有的帶隙寬度便也不同，因此選用不同帶隙寬度的材料，就能制作出激發(fā)不同光譜的 LED[11~12]。
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第 2 章 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 材料的選擇
基體材料：選用硬度高，透光度較好，導(dǎo)熱性能良好的玻璃支架、陶瓷支架和藍(lán)寶石支架。燈絲兩邊的電極材料選擇在表面鍍鎳的銅材料。芯片：LED 芯片選用的是小功率 1020 型號藍(lán)光芯片（由三安光電股份有限公司提供）。該芯片的峰值波長為 450 nm，工作電壓 3V。圖 2.1 為 1020 芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。硅膠：選用惠州杰果電子科技有限公司生產(chǎn)的 6048 型燈絲成型膠。熒光粉：選用美國英特美公司的 R6436 型紅色熒光粉，EG2762 型綠色熒光粉和 YAG-04 型黃色熒光粉。具體參數(shù)見下表 2.1。熒光粉的發(fā)射光譜圖見下圖 2.2、圖 2.3 及圖 2.4。
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2.2 實(shí)驗(yàn)流程
將待清洗的支架放入超聲波清洗機(jī)中清洗，其目的是在于將支架表面殘留的化學(xué)物質(zhì)及附著在其上的雜質(zhì)異物除去。如果沒有清洗，可能會導(dǎo)致在固晶烘烤后，芯片從基板上脫落造成死燈，也有可能在壓焊環(huán)節(jié)上，造成虛焊及漏電等異常情況。因此，支架的清洗是十分重要的。將熒光粉粉末同粘結(jié)劑混合制成膏狀混合物，將該混合物按照一定的排布與形狀涂布于 LED 燈絲基板表面，并將其放入烘箱高溫固化，高溫烘烤 1.5h后從烘箱中取出，得到所需的底部熒光粉層的基板。固晶指的就是通過膠體把 LED 芯片按照既定的排布依次粘接在基板上的過程。固晶膠通常分為導(dǎo)熱性能較好，但透光度較差的銀膠以及透光度較好，但導(dǎo)熱性能較差的絕緣膠兩種。考慮到本實(shí)驗(yàn)對全周光性能的要求，實(shí)驗(yàn)所采用的固晶膠為透光度較高的絕緣膠。將絕緣膠從低溫冷凍狀態(tài)下取出，放置于防潮干燥箱中密封解凍。這樣做的好處是可以降低固晶膠受潮氣以及凝結(jié)水滴的可能性。解凍時間以 30min 為宜。此外，在解凍過程中不應(yīng)攪拌絕緣膠，以免造成空氣、水氣等雜質(zhì)拌入固晶膠。點(diǎn)膠膠量要適中，不能多于芯片高度的 1/2，也不能少于芯片高度的1/4，以芯片高度的 1/3 為宜。絕緣膠的膠量不宜太少，因?yàn)檫@樣會造成 LED芯片粘接不牢，增加擺動的可能性；相反，絕緣膠的膠量如果過多，會導(dǎo)致膠體不易烘干，污染芯片電極。
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第 3 章 新型全周光 LED 器件性能研究....22
3.1 引言 ..........22
3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 ......22
3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 .......22
3.4 本章小結(jié) ......31
第 4 章 新型全周光 LED 器件同傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)的對比........32
4.1 引言 ..........32
4.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 ......32
4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和討論 ..........32
4.3.1 不同結(jié)構(gòu)對光通量的影響 ........32
4.3.2 不同結(jié)構(gòu)的散熱研究 .....33
4.3.3 不同結(jié)構(gòu)的老化研究 .....34
4.4 本章小結(jié) ......35

第 4 章 新型全周光 LED 器件同傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)的對比

4.1 引言
LED 燈絲具有高光效、高電壓、光照角度大、無眩光、高顯色指數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，獲得國內(nèi)外廣泛關(guān)注。隨著 LED 封裝技術(shù)的不斷改良與進(jìn)步，人們對于LED 燈絲在光品質(zhì)與可靠性等方面提出了更高的要求。本章制備了新型全周光結(jié)構(gòu)、硅膠全包覆傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)以及上下硅膠包覆結(jié)構(gòu)的三種不同結(jié)構(gòu)的 LED 燈絲，測量其基板下表面溫度，測試各時間段的光電參數(shù)，用以研究其老化特性。

4.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
實(shí)驗(yàn)采用新型全周光結(jié)構(gòu)、硅膠全包覆傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)以及上下硅膠包覆傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)三種不同結(jié)構(gòu)的 LED 燈絲對比老化。樣品按順序編號依次為 A、B、C三個系列。從中選取色溫在 3000K 以下，熒光粉總量占硅膠總量為 15%的LED 燈絲。LED 燈絲均是用 22 顆三安 1020 型芯片組成。老化和溫度測試均是采用 15mA 電流，通過測試每根樣品的光電參數(shù)，燈絲內(nèi)部溫度以及 500h 光衰老化三個方面對比三種燈絲在光品質(zhì)、光效、散熱等特性上的差異對比來表征優(yōu)劣。為了減小相對誤差，每組實(shí)驗(yàn)的每組燈絲都采用了 5 個樣品，，選用平均值來表征每組燈絲樣品的光電參數(shù)以及溫度。

結(jié) 論

本文通過直接在基板上的底層熒光粉層上面固晶焊線的方式，制備了新型結(jié)構(gòu)的 LED 燈絲器件，并研究了不同底部熒光粉層厚度下，不同基板材料，底層摻雜不同濃度 Al2O3粉末以及不同電流下對燈絲器件光學(xué)性能的影響。并且通過對比研究相同老化實(shí)驗(yàn)條件下不同種結(jié)構(gòu)對 LED 燈絲光衰的影響。得出以下結(jié)論：
（1）不同底層厚度會對新型結(jié)構(gòu) LED 燈絲的光學(xué)性能產(chǎn)生影響。當(dāng)?shù)讓雍穸葹?0.04 mm 時，LED 燈絲器件的光學(xué)性能會達(dá)到一個相對最佳值。
（2）在透明基板材料的選擇中，以藍(lán)寶石作為基板材料的 LED 燈絲，隨著電流的增大，其光效下降較玻璃及陶瓷慢。因此，藍(lán)寶石作為新型結(jié)構(gòu) LED燈絲的基板效果最佳。
（3）不同濃度的 Al2O3粉末摻入底層制成 LED 燈絲。當(dāng) Al2O3粉末占熒光粉總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 30%時，新型結(jié)構(gòu)的 LED 燈絲初始光通量最高。
（4）在低色溫新型 LED 全周光器件兩端通正向驅(qū)動電壓，器件的色溫、色坐標(biāo)、光效以及光通量均會隨著電流的變化而產(chǎn)生變化。隨著正向電流的不斷加大，色溫會不斷加大，不斷偏移減小，顯色指數(shù)基本保持不變。光通量會隨著電流的增大而增大，達(dá)到峰值后又會隨著電流的增大而減小。此外，光效是會隨著電流的增大一直減小。
（5）新型結(jié)構(gòu)的 LED 燈絲散熱性能要優(yōu)于傳統(tǒng)型 LED 燈絲。并且隨著老化時間的增加，新型結(jié)構(gòu)的 LED 燈絲光衰表現(xiàn)較好。因此，在通較大電流下，新型全周光結(jié)構(gòu)的 LED 燈絲的壽命是要優(yōu)于傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)。
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參考文獻(xiàn)（略）